Gaia přehledně (zvětšit kliknutím na obrázek).  Kredit a další info: Institute of Astronomy, University of Cambridge

Hubblův kosmický teleskop (Hubble Space Telescope - HST) nám již bezmála třicet let otvírá okna vesmíru stále více dokořán. Je sice pravdou, že jeho kariéru prodloužily nákladné servisní mise, přesto jde o obdivuhodnou létající observatoř na dálkové ovládání. Hubble ale zdaleka není ve vesmíru sám. Seznam kosmických teleskopů pracujících v různých oblastech elektromagnetického spektra, nebo se specifickým zaměřením, bývalých, současných i těch s již naplánovaným startem, je ZDE.

Mezi těmi současnými je i zajímavá, sofistikovaná astrometrická observatoř Gaia. Po sondách WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe; 2001 - 2010), Herschel (2009 – 2013) a Planck (2009 – 2013) je jejím stanovištěm Lagrangeův librační bod L2, kde trvale ukryta ve stínu Země, nerušená světlem a teplem Slunce, může plnit své poslání – s doposud nejvyšší přesností měřit polohy a vzdálenosti zejména hvězd, ale i některých asteroidů, komet, kvasarů nebo exoplanet. Výsledkem bude 3D mapa Galaxie s údaji o více než miliardě objektů.

Zvětšit obrázek

V každé soustavě dvou hmotných těles obíhajících kolem společného barycentra existuje 5 bodů – Lagrangeovy librační body (centra), v nichž se vzájemně vyrovnává gravitační působení obou těles a odstředivá síla daná rotací. V soustavě Slunce – Země jsou zejména dvě místa vhodná na umístění výzkumných družic. Body L1 a L2 se nacházejí na spojnici Slunce – Země, ve vzdálenosti necelých 1,5 milionu km od planety. V L1 Země nikdy nezastíní Slunce, proto je určen družicím na výzkum naší hvězdy (SOHO). V L2 je díky zemskému stínu stále noc, družice může nerušeně sledovat oblohu a navíc není vystavena periodické změně teploty (nyní Gaia). Kredit: NASA

Dosavadní měření Gaii v kombinaci s pozorováním Hubbleova teleskopu umožnila astronomům opět upřesnit hodnotu Hubbleovy konstanty, tedy míry expanze vesmíru. Udává, jak se mění rychlost rozpínajícím se prostorem unášených objektů se vzdáleností od pozorovatele.

Mapa reliktního zářeni pořízena sondou Planck. Barevně zvýrazněné malé tepelné fluktuace korelují s nehomogenitami v rozložení hmoty. Kredit:ESA/Planck Collaboration

Přes rok staré video odhaluje znepokojivý nesoulad mezi hodnotami Hubbleovy konstanty určenými dvěma nezávislými metodami. Jedna metoda vychází z nehomogenit v reliktním záření, jež je vychladlou vzpomínkou na žhavé mládí vesmíru, na okamžik asi 380 000 let po Velkém třesku, kdy po vzniku neutrálních atomů mohlo světlo poprvé volně pronikat prostorem. Dnes tyto prvotní fotony registrujeme ze všech směrů v podobě téměř homogenního mikrovlnného záření o teplotě pouhých 2,726 K.  Zatím nepřesněji ho v letech 2009 až 2013 zmapovala úspěšná sonda Planck. Teplotní fluktuace v mapě reliktního záření odpovídají hustotním nehomogenitám v prapůvodním rozložení běžné baryonové hmoty, která se zářením interaguje. Protože rozpínání vesmíru ovlivňuje velikost těchto anomálií, jejich analýza pomáhá pochopit, jak se mladý vesmír vyvíjel do stadia, v jakém ho pozorujeme dnes a určit kosmologické parametry. Hubbleova konstanta, která vychází z těchto předpokladů a výpočtů, má hodnotu 67 km za sekundu na megaparsek. Tedy bez ohledu, z kterého místa vesmíru bychom měřili, zjistili bychom, že po každých přibližně 3,086 x 10¹⁹ km (necelých 3,3 miliony světelných let) se vlivem rozpínání prostoru objekty od nás vzdalují o 67 km za sekundu rychleji.

Jak se postupně upřesňuje hodnota Hubbleovy konstanty, zvýrazňuje se i nesoulad mezi výsledky získanými analýzou fluktuací reliktního záření a měřením parametrů cefeid a supernov Ia . Credit: ESA/Planck Collaboration

Tato hodnota se sice podobá výsledku 67 ± 3,2 km/s/Mpc získanému analýzou baryonových akustických oscilací (ZDE), které také souvisejí s raným vesmírem, liší se však od výsledků metody založené na měření v našem současném kosmickém okolí – pomocí tzv. standardních kosmických svíček – jednak cefeid, proměnných hvězd s periodickou pulzací objemu a jasnosti, a pak supernov typu Ia. Recentní měření hodnot červeného posuvu světla, které vyzařují, tedy rychlostí, jakými se od nás tyto objekty vzdalují  a vzdáleností, v nichž se nacházejí, tvrdošíjně nabízejí jen větší míru expanze, od hodnoty 72 km/s/Mpc výše (ZDE).

Na řadě těchto výzkumů se podílel Adam Riess, astrofyzik z baltimorské Univerzity Johnse Hopkinse, jenž se v roce 2011, ve svých 41 letech, podělil s Brianem P. Schmidtem a Saulem Perlmutterem o Nobelovu cenu za fyziku za důkaz, že vesmír se rozpíná stále rychleji. Toto překvapivé zjištění si při našich současných poznatcích vynutilo zavedení temné energie, která jako jakési velice řídké, zatím i velmi tajemné fyzikální fluidum prostupuje kosmickým prostorem a akceleruje jeho expanzi. Adam Riess šéfoval například týmu, který v roce 2011 uveřejnil výsledky měření pomocí širokoúhlé kamery Wide Field Camera 3 (WFC3) Hubbbleova teleskopu, která snímá ve viditelné i infračervené oblasti světelného spektra. Z pozorování galaxií, v nichž se nacházejí jak supernovy Ia, tak cefeidy, získal výsledných 74,8 ± 3,1 km s⁻¹ Mpc⁻¹ (ZDE).

Laureát Nobelovy ceny, Adam Riess, patří mezi nejuznávanější současné astronomy. Zabývá se zejména výzkumem rozpínání vesmíru. Kredit: Johns Hopkins University

Letos v březnu  Riess s kolegy zveřejnili mírně odlišnou hodnotu Hubbleovy konstanty: 73,48 ± 1,66 km s⁻¹ Mpc⁻¹ s nejistotou měření 2,3 %. Vstupní data poskytla opět kamera WFC3. Z dlouhodobého, několika etapového mapování oblohy ve viditelném a infračerveném světle astronomové vybrali potřebné informace spjaté s některými dlouhoperiodickými cefeidami v Mléčné dráze. Pak vypočetli jejich vzdálenosti trigonometricky pomocí paralax. Výsledky vědci použili k přesnější kalibraci cefeid v jiných galaxiích, jejichž vzdálenost už nelze geometrickou metodou stanovit. Tím upřesnili i vzdálenosti supernov Ia v těchto galaxiích, což pomohlo při kalibraci podobných supernov v ještě vzdálenějších galaxiích, v nichž na cefeidy už nedohlédneme. Pro určení Hubbleovy konstanty jsou kromě vzdáleností potřebné i rychlosti, jimiž se od nás sledované hvězdy vzdalují. Ty prozrazují rudé posuvy jejich záření, díky kterému je vlastně vidíme.

Nejnovější článek, zveřejněn 10. července v The Astrophysical Journal (ZDE), je vlastně dalším krokem stejným směrem. Zatímco velice přesné fotometrické údaje (zdánlivou jasnost, periodicitu) tentokráte až padesáti dlouhoperiodických cefeid Mléčné dráhy opět poskytl Hubbleův dalekohled, doposud nejpřesnější paralaxy, a tedy podklady pro výpočty vzdáleností těchto hvězd, zajistila astrometrická sonda Gaia. Když astronomové nová data použili na kalibraci vesmírného žebříku vzdáleností ve studii publikované již v roce 2016 (ZDE), původně stanovená hodnota Hubbleovy konstanty H₀ = 73,24 ± 1,74 km s⁻¹ Mpc⁻¹ se změnila jen nepatrně na H₀ = 73,52 ± 1,62 km s⁻¹ Mpc⁻¹ a nejistota měření klesla z 2,4 % na 2,2 %. I když Riessův tým plánuje využít nová měření Gaii a určit ještě přesněji hodnotu Hubbleovy konstanty s nejistotou měření pod jedno procento, je nanejvýš nepravděpodobné, že by to ovlivnilo nesoulad mezi těmito výpočty míry vesmírné expanze a hodnotami získanými analýzou fluktuací reliktního záření.

"Zdá se, že rozpor narostl do úplné neslučitelnosti mezi našimi pohledy na raný a současný vesmír," uvedl Adam Reis. "V tomto okamžiku je zřejmé, že nejde jednoduše o nějakou hrubou chybu v některém z měření. Je to jako kdybyste z růstového diagramu předpověděli, do jaké výšky dítě vyroste, a pak zjistili, že jako dospělý člověk výrazně převýšil předpovězenou hodnotu. Hodně nás to mate."

Nám laikům se sice rozdíl mezi hodnotami 67a 73 km/s/Mpc nezdá nijak zásadní, pro astronomy je však signálem, že něčemu ne zcela rozumí. Je pravděpodobné, že problém má na svědomí temná energie, případně temná hmota. Jedna z nich mohla například ovlivnit vývoj raného vesmíru nám zatím neznámým způsobem. Vesmír stále ukrývá tolik vzrušujících tajemství a výzev.

Zvětšit obrázek

Zvětšit obrázek

Astronomický vzdálenostní žebřík: U relativně blízkých cefeid v Mléčné dráze lze vzdálenost změřit trigonometricky pomocí paralax, což nyní pomáhá upřesnit sonda Gaia. Výsledky pak slouží ke kalibraci cefeid v jiných galaxiích, v nichž se nacházejí také supernovy typu Ia. Upřesnění těchto vzdáleností pak pomáhá kalibrovat supernovy Ia a určit vzdálenost i těch dalekých, v jejichž okolí již na žádné cefeidy nedohlédneme. Kredit: A. Field (STScl)/A. Riess (STScl/JHU)/NASA/ESA

Využitím možností dvou nejvýkonnějších kosmických teleskopů – Hubbleho (NASA) a Gaii (ESA) astronomové získali doposud nejpřesnější hodnotu Hubbleovy konstanty. Gaia umožnila přesnější změření vzdálenosti cefeid v Mléčné dráze a tím i lepší kalibraci těch vzdálenějších. Hubble přispěl kvalitní fotometrií. Kredit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Doplňková vzdělávací videa:

Měření paralaxy, definice parseku

Cefeidy – vysvětlení určení vzdáleností

Animace supernovy Ia

Zdroj: NASA News

The Astrophysical Journal